(57)【要約】  【課題】  蓄冷器やパルス管の機械的条件に拘束されないようにして設計の自由度を増し、蓄冷器側とパルス管側との熱交換器での熱伝導による熱ロスを防ぎ、さらに冷凍機運転時の熱応力を緩和することにより、冷凍性能・機械的信頼性をともに大幅に向上させるパルス管冷凍機を提供する。  【解決手段】  圧縮機１０、接続管２０、蓄冷器側熱交換器３１、蓄冷器３２、コールドヘッド３３、パルス管３４、保持管６０、パルス管側熱交換器７０、位相制御部４０、および、真空容器部５０を備え、蓄冷器３２、コールドヘッド３３、および、パルス管３４を略Ｕ字型とするＵ字リターン型のパルス管冷凍機２であって、  真空容器部５０の取付けベース５１に固定される蓄冷器側熱交換器３１から外側へ突出した状態で一端が蓄冷器側熱交換器３１に固定され、かつ、他端にパルス管側熱交換器７０が固定される保持管６０を備えるようにした。【選択図】  図２
2005055047.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、接続管、蓄冷器側熱交換器、蓄冷器、コールドヘッド、パルス管、パルス管側熱交換器、および、位相制御部を備え、蓄冷器、コールドヘッド、および、パルス管を略Ｕ字型とするＵ字リターン型のパルス管冷凍機であって、
蓄冷器側熱交換器から外側へ突出した状態で一端が蓄冷器側熱交換器に固定され、かつ、他端にパルス管側熱交換器が固定される保持管を備えることを特徴とするパルス管冷凍機。
【請求項２】
圧縮機、接続管、蓄冷器側熱交換器、蓄冷器、コールドヘッド、パルス管、パルス管側熱交換器、位相制御部、および、取付けベースを備え、蓄冷器、コールドヘッド、および、パルス管を略Ｕ字型とするＵ字リターン型のパルス管冷凍機であって、
取付けベースに固定される蓄冷器側熱交換器から外側へ突出した状態で一端が蓄冷器側熱交換器に固定され、かつ、他端にパルス管側熱交換器が固定される保持管を備えることを特徴とするパルス管冷凍機。
【請求項３】
圧縮機、接続管、蓄冷器側熱交換器、蓄冷器、コールドヘッド、パルス管、パルス管側熱交換器、位相制御部、および、取付けベースを備え、蓄冷器、コールドヘッド、および、パルス管を略Ｕ字型とするＵ字リターン型のパルス管冷凍機であって、
取付けベースから外側へ突出した状態で一端が取付けベースに固定され、かつ、他端にパルス管側熱交換器が固定される保持管を備えることを特徴とするパルス管冷凍機。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載のパルス管冷凍機において、
取付けベースに真空デュアーが連結された真空容器部を備え、
蓄冷器、コールドヘッド、および、パルス管は真空容器部の内部に収容されることを特徴とするパルス管冷凍機。
【請求項５】
請求項１〜請求項４の何れか一項に記載のパルス管冷凍機において、
保持管とパルス管側熱交換器との間に介装されるシール部材を備えることを特徴とするパルス管冷凍機。
【請求項６】
請求項１〜請求項５の何れか一項に記載のパルス管冷凍機において、
保持管は、円筒状の保持管であること特徴とするパルス管冷凍機。
【請求項７】
請求項１〜請求項５の何れか一項に記載のパルス管冷凍機において、
保持管は、側面が凹凸を有するように形成される保持管であること特徴とするパルス管冷凍機。
【請求項８】
請求項１〜請求項７の何れか一項に記載のパルス管冷凍機において、
熱伝導率が小さい材料により保持管を形成して保持管の熱抵抗を大きくすることを特徴とするパルス管冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、極低温冷凍機として用いられるパルス管冷凍機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パルス管冷凍機について図を参照しつつ説明する。図９は従来技術のパルス管冷凍機の概略構成図である。
パルス管冷凍機１００は、図９に示すように、圧縮機１０、接続管２０、膨張機３０、位相制御部４０、真空容器部５０を備えている。
【０００３】
圧縮機１０は、詳しくは、ピストン１１とシリンダ１２とを備えている。
膨張機３０は、詳しくは、蓄冷器３２、コールドヘッド３３、パルス管３４、熱交換器３５を備えている。
位相制御部４０は、詳しくは、イナータンスチューブ４１とバッファタンク４２とを備えている。
真空容器部５０は、詳しくは、取付けベース５１と真空デュアー５２とを備えている。
このようなパルス管冷凍機１００には流路が形成される。流路内には作動ガス（冷媒ガス）として、例えば、ヘリウムが封入されている。
【０００４】
続いてパルス管冷凍機１００の動作原理について説明する。パルス管冷凍機１００の運転時に圧縮機１０のシリンダ１２内でピストン１１が往復動作することにより、シリンダ１２内の作動ガスが圧縮・膨張される。このような作動ガスは、圧縮機１０から接続管２０、熱交換器３５、蓄冷器３２、コールドヘッド３３、パルス管３４、熱交換器３５、イナータンスチューブ４１、バッファタンク４２まで到達する。作動ガスは、圧縮機１０、接続管２０、膨張器３０および位相制御部４０との間の一連の系の中で往復動流として流れる。
【０００５】
ここで位相制御部４０のイナータンスチューブ４１とバッファタンク４２の中を、ほぼ正弦波的に圧力振幅を伴って作動ガスが流れることにより、圧力変化と流量変化との間に位相差を発生させることができる。これら流体回路を電気回路に例えると、イナータンスチューブ４１はインダクタンス成分と抵抗成分、バッファタンク４２はキャパシタンス成分に相当する。このような位相制御部４０は、作動ガスの圧力に対する流量の位相差を−９０°から＋９０°まで変化させることができる。
【０００６】
このようにパルス管冷凍機１００の運転時には、パルス管３４および位相制御部４０による位相制御効果により、パルス管３４内で作動ガスの圧力と流量との間に位相差が生じ、この圧力と流量とがなす仕事がコールドヘッド３３でのＰＶ仕事となり、コールドヘッド３３に寒冷を発生する。この発生寒冷を低温ＰＶ仕事と呼ぶ。
【０００７】
ここで、コールドヘッド３３は前記のように蓄冷器３２とパルス管３４との間に介装されている。パルス管冷凍機１００の運転時には、圧縮機１０の圧縮工程で送り出された作動ガスは蓄冷器３２において低温となってパルス管３４に流入し、その内部で断熱膨張して、これによりコールドヘッド３３で吸熱し、作動ガスが位相制御部４０に流出する。また、前記とは逆に作動ガスが位相制御部４０からパルス管３４を通過してコールドヘッド３３に還流する工程では、ほぼ一定体積で変化するため熱の発生または吸収は行わない。つまりコールドヘッド３３では発熱がなく吸熱のみなされ、寒冷を発生することとなる。
【０００８】
このようなパルス管冷凍機１００では、パルス管冷凍機１００の運転中には取付けベース５１と真空デュアー５２で囲まれた空間を真空断熱空間とする。この場合、取付けベース５１は熱伝導率が小さい（熱抵抗が大きい）ため、熱が熱交換器３５から伝わらないように配慮されている。このような真空デュアー５２内のコールドヘッド３３に取り付けられた冷却対象の冷却が行われることとなる。
【０００９】
また、図９で示したパルス管冷凍機と略同様な構造を有するパルス管冷凍に係る従来技術として、例えば、特許文献１（発明の名称：スターリングパルス管冷凍器）が知られている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００１−３０４７０７号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図９に示したパルス管冷凍機１００は、先述のように蓄冷器３２とパルス管３４が同一の熱交換器３５と接続されているため、それぞれの熱交換部材３１ａがほぼ等しい温度になってしまっていた。圧縮機１０から出力された作動ガスは圧縮時の圧縮熱により熱が高く、熱交換器３５は圧縮熱により高温に維持される。このため、パルス管３４から到達する作動ガスに対してパルス管３４側の熱交換部材３１ａで放熱ができず、むしろ熱が流れ込んで作動ガスの温度を上昇させてしまい、結果的に冷凍機能を低下させていた。
【００１２】
また、先述のように蓄冷器３２とパルス管３４とは、上側でコールドヘッド３３、また、下側で熱交換器３５というようにそれぞれ上下で同一部材に取付けられるため、両者を同等長さにするか、または、長さが異なる場合には熱交換器３５を長くして、両者が略等しい長さとなるように調整している。一般的には蓄冷器３２よりパルス管３４の方が長い傾向があり、熱交換器３５の機械的構造により調整している。
【００１３】
このように、蓄冷器３２とパルス管３４と両端で同一部材（熱交換機３５・コールドヘッド３３）に取り付けられていることにより、蓄冷器３２とパルス管３４との長さを拘束して、性能を優先した自由な設計を困難なものとしていた。
さらに熱交換機３５は高熱となって熱膨張し、また、コールドヘッド３３は極低温となって熱収縮するため、上側と下側とで熱応力により不均一な力が加わって故障を誘発しやすく、信頼性を損なう要因となっていた。
【００１４】
この発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、蓄冷器やパルス管の機械的条件に拘束されないようにして設計の自由度を増し、蓄冷器側とパルス管側との熱交換器での熱伝導による熱ロスを防ぎ、さらに冷凍機運転時の熱応力を緩和することにより、冷凍性能・機械的信頼性をともに大幅に向上させるパルス管冷凍機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の請求項１に係るパルス管冷凍機は、
圧縮機、接続管、蓄冷器側熱交換器、蓄冷器、コールドヘッド、パルス管、パルス管側熱交換器、および、位相制御部を備え、蓄冷器、コールドヘッド、および、パルス管を略Ｕ字型とするＵ字リターン型のパルス管冷凍機であって、
蓄冷器側熱交換器から外側（圧縮機側・位相制御部側）へ突出した状態で一端が蓄冷器側熱交換器に固定され、かつ、他端にパルス管側熱交換器が固定される保持管を備えることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の請求項２に係るパルス管冷凍機は、
圧縮機、接続管、蓄冷器側熱交換器、蓄冷器、コールドヘッド、パルス管、パルス管側熱交換器、位相制御部、および、取付けベースを備え、蓄冷器、コールドヘッド、および、パルス管を略Ｕ字型とするＵ字リターン型のパルス管冷凍機であって、
取付けベースに固定される蓄冷器側熱交換器から外側（圧縮機側・位相制御部側）へ突出した状態で一端が蓄冷器側熱交換器に固定され、かつ、他端にパルス管側熱交換器が固定される保持管を備えることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の請求項３に係るパルス管冷凍機は、
圧縮機、接続管、蓄冷器側熱交換器、蓄冷器、コールドヘッド、パルス管、パルス管側熱交換器、位相制御部、および、取付けベースを備え、蓄冷器、コールドヘッド、および、パルス管を略Ｕ字型とするＵ字リターン型のパルス管冷凍機であって、
取付けベースから外側（圧縮機側・位相制御部側）へ突出した状態で一端が取付けベースに固定され、かつ、他端にパルス管側熱交換器が固定される保持管を備えることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の請求項４に係るパルス管冷凍機は、
請求項２または請求項３に記載のパルス管冷凍機において、
取付けベースに真空デュアーが連結された真空容器部を備え、
蓄冷器、コールドヘッド、および、パルス管は真空容器部の内部に収容されることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の請求項５に係るパルス管冷凍機は、
請求項１〜請求項４の何れか一項に記載のパルス管冷凍機において、
保持管とパルス管側熱交換器との間に介装されるシール部材を備えることを特徴とするものである。
【００２０】
また、本発明の請求項６に係るパルス管冷凍機は、
請求項１〜請求項５の何れか一項に記載のパルス管冷凍機において、
保持管は、円筒状の保持管であること特徴とする。
【００２１】
また、本発明の請求項７に係るパルス管冷凍機は、
請求項１〜請求項５の何れか一項に記載のパルス管冷凍機において、
保持管は、側面が凹凸を有するように形成される保持管であること特徴とする。
【００２２】
また、本発明の請求項８に係るパルス管冷凍機は、
請求項１〜請求項７の何れか一項に記載のパルス管冷凍機において、
熱伝導率が小さい材料により保持管を形成して保持管の熱抵抗を大きくすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
以上のような本発明によれば、蓄冷器やパルス管の機械的条件に拘束されないようにして設計の自由度を増し、蓄冷器側とパルス管側との熱交換器での熱伝導による熱ロスを防ぎ、さらに冷凍機運転時の熱応力を緩和することにより、冷凍性能・機械的信頼性をともに大幅に向上させるパルス管冷凍機を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明を実施するための最良の形態について説明する。
まず、請求項１，６，８の発明に係るパルス管冷凍機について図を参照しつつ説明する。図１は第１形態のパルス管冷凍機１の構成図である。
本形態のパルス管冷凍機１は、図１に示すように、圧縮機１０、接続管２０、膨張機３０、位相制御部４０、保持管６０、パルス管側熱交換器７０を備えている。
このパルス管冷凍機１は、例えば、図１において蓄冷器側熱交換器３１より上側の蓄冷器３２、コールドヘッド３３およびパルス管３４がケーシング（図示せず）内のような真空環境下に配置され、コールドヘッド３３に接触する冷却対象（図示せず）を冷却するというものである。
【００２５】
本形態では図９を用いて説明した従来技術のパルス管冷凍機１００から真空容器部５０を取り去り、さらに熱交換器３５に代えて、新たに熱交換部材３１ａを有する蓄冷器側熱交換器３１、保持管６０、パルス管側熱交換器７０を備えるようにした点が相違している。なお、圧縮機１０、接続管２０、膨張機３０の蓄冷器３２、コールドヘッド３３、パルス管３４、位相制御部４０については同じ名称・符号を付するとともに構成の重複する説明を省略し、相違点ついて説明する。また、冷凍原理については新規構成を備える本形態でも従来技術と同様の原理であり、重複する説明を省略する。
【００２６】
本形態では、図１に示すように、蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０を別個の部品とし、蓄冷器側熱交換器３１の円形孔部に保持管６０の一端の外周部を取り付け、さらにこの保持管６０の他端の内周部にパルス管側熱交換器７０の外周部を取り付けて一体化した構成を採用している。
【００２７】
蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０とは冷凍運転時にそれぞれ放熱して作動ガスを冷却する機能を有している。蓄冷器側熱交換器３１は熱交換部材３１ａを有しており、熱交換部材３１ａは接続管２０から流入する作動ガスの圧縮熱を熱交換して、蓄冷器側熱交換器３１へ放熱する。
パルス管３４は蓄冷器側熱交換器３１に形成された円形孔部を通過して外側（圧縮機１０側・位相制御部４０側）に突出する。パルス管３４は保持管６０の中に配置される。ここで保持管６０は、円筒状の薄肉管であり、蓄冷器側熱交換器３１およびパルス管側熱交換器７０とはろう付け、接着、機械的固定により取り付けられる。
【００２８】
このような保持管６０の熱抵抗Ｒｔｈは一般的に熱伝導率λ、伝導断面積Ａおよび長さＬを用いて次式で計算できる。
【００２９】
【数１】
2005055047.tif 000003
【００３０】
したがって、管を長くする（Ｌを大きくする）、熱伝導率を小さくする（λを小さくする）、断面積を狭くする（Ａを小さくする）ことにより熱抵抗を大きくすることが可能となり、冷凍効率を向上させることができる。断面積はパルス管３４が内部にあることから狭くすることは難しく、また、長さもパルス管３４の長さにより決定されるため長くすることは難しく、熱伝導率を調整して熱抵抗を大きくする。
【００３１】
例えば、熱伝導率が小さい材料として、例えば、ステンレス（熱伝導率０．０４）、または、純チタン（熱伝導率０．０４）を採用することで、保持管６０の熱抵抗を大きくすることが可能となる。しかしながら、一般に広く用いられ、比較的安価であるステンレスを採用することが好ましい。
【００３２】
このような構成を採用する本形態のパルス管冷凍機１は、以下のような利点がある。すなわち、
（１）蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０との間に介在する保持管６０をパルス管３４の長さに対応させて適当な長さに形成することができ、これにより、蓄冷器３２およびパルス管３４の長さに影響されることなく、性能を優先した自由な設計を可能とする。
【００３３】
（２）蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０との間に保持管６０を介在させることで、運転時に蓄冷器３２とパルス管３４とに熱応力の不均一により生じる曲げ力が加わったとしても保持管６０で歪みをある程度は吸収して、変形に起因する機械的信頼性を向上させることができる。
【００３４】
（３）蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０との間に介在する保持管６０により、蓄冷器側熱交換器３１の熱がパルス管側熱交換器７０に直接伝えられないようにして熱抵抗を従来技術（例えば図９で示したパルス管冷凍機１００）に比べて大きくし、熱伝導速度を遅くすることで蓄冷器側熱交換器３１の圧縮熱を、パルス管側熱交換器７０へ伝えるような不要な熱伝導を抑止し、パルス管冷凍機１の冷凍効率を高めることが可能となる。
【００３５】
（４）（３）の効果に加え、さらに、熱伝導率が著しく小さい材料、例えばステンレスなどの金属部材により保持管６０を形成するため、蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０とを熱的にほぼ分離した状態とし、この点でも、蓄冷器側熱交換器３１の圧縮熱がパルス管側熱交換器７０に伝わる熱伝導速度をさらに遅くすることを可能とする。
【００３６】
このように本形態のパルス管冷凍機１は、簡易な構造であるにもかかわらず、熱抵抗を大きくして蓄冷器側熱交換器３１からパルス管側熱交換器７０へ熱を著しく伝え難くすることができ、コスト上昇を抑えつつ熱伝導を抑制することが可能となる。
【００３７】
続いて、請求項２，４，６，８の発明に係るパルス管冷凍機について図を参照しつつ説明する。図２は第２形態のパルス管冷凍機２の構成図である。
本形態のパルス管冷凍機２は、図２に示すように、圧縮機１０、接続管２０、膨張機３０、位相制御部４０、真空容器部５０、保持管６０、パルス管側熱交換器７０を備えている。
【００３８】
本形態では図９を用いて説明した従来技術のパルス管冷凍機１００の熱交換器３５に代えて、新たに蓄冷器側熱交換器３１、保持管６０、パルス管側熱交換器７０を備えるようにした点が相違している。また、第１形態と比較すると、真空容器部５０が追加されている点が相違している。圧縮機１０、接続管２０、膨張機３０の蓄冷器３２、コールドヘッド３３、パルス管３４、位相制御部４０、真空容器部５０については同じ名称・符号を付するとともに構成・作動原理について重複する説明を省略し、相違点について説明する。
【００３９】
パルス管冷凍機２は、図２に示すように、蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０を別個の部品とし、蓄冷器側熱交換器３１の円形孔部に保持管６０の一端の外周部を固着し、さらにこの保持管６０の他端の内周部にパルス管側熱交換器７０の外周部を固着して一体化した構成を採用している。
【００４０】
蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０とは冷凍運転時にそれぞれ放熱して作動ガスを冷却する機能を有している。蓄冷器側熱交換器３１は熱交換部材３１ａを有しており、熱交換部材３１ａは接続管２０から流入する作動ガスの圧縮熱を交換して、蓄冷器側熱交換器３１へ放熱する。
保持管６０は円筒状の薄肉管であり、蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０とは、ろう付け、接着、機械的固定により固着される。
【００４１】
また、蓄冷器側熱交換器３１は、真空容器部５０の取付けベース５１に取付けられている。この取付けベース５１に真空デュアー５２が連結されて真空容器部５０を形成する。蓄冷器３２、コールドヘッド３３、および、パルス管３４は真空容器部５０の内部に収容されている。パルス管３４は取付けベース５１および蓄冷器側熱交換器３１に形成された円形孔部を通過して外側（圧縮機１０側・位相制御部４０側）に突出する。パルス管３４は保持管６０の中に配置される。ここで保持管６０は、真空容器部５０と連通しており、保持管６０内は真空に保たれる。このようなパルス管冷凍機２は、真空容器部５０により真空断熱空間が形成されている。そして、コールドヘッド３３に取り付けた冷却対象（図示せず）を冷却する。
このような構成を採用するパルス管冷凍機２は、先の第１形態の（１），（２），（３），（４）の利点と同じ利点を有する。
【００４２】
なお、蓄冷器３２、コールドヘッド３３およびパルス管３４が真空環境下にある場合は、真空容器部の真空デュアー５２を取り去った形態とすることもできる。
例えば、図２において取り付けベース５１より上側の蓄冷器３２、コールドヘッド３３およびパルス管３４がケーシング（図示せず）のような真空環境下に配置されて、コールドヘッド３３に接触する冷却対象（図示せず）を冷却するような場合である。この場合も、保持管６０により、パルス管側熱交換器７０まで真空断熱空間を形成し、パルス管３４に外部から熱が伝わる事態を防止する。
【００４３】
続いて、請求項３，４，６，８の発明に係るパルス管冷凍機について図を参照しつつ説明する。図３は第３形態のパルス管冷凍機３の構成図である。
本形態のパルス管冷凍機３は、図３に示すように、圧縮機１０、接続管２０、膨張機３０、位相制御部４０、真空容器部５０、保持管６０、パルス管側熱交換器７０を備えている。
【００４４】
図２を用いて説明した第２形態のパルス管冷凍機２では保持管６０を蓄冷器側熱交換器３１に接続していたが、本形態では蓄冷器側熱交換器３１に取付けるのではなく、図３に示すように、保持管６０を真空容器部５０の取付けベース５１に接続するようにした点が相違している。また、蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０とを別個の部品として小型化を実現している。さらに、パルス管３４が蓄冷器側熱交換器３１の孔部を通過しないようにした点が相違している。
なお、圧縮機１０、接続管２０、膨張機３０、位相制御部４０、真空容器部５０、パルス管側熱交換器７０については同じ名称・符号を付するとともに構成・作動原理の重複する説明を省略し、相違点についてのみ説明する。
【００４５】
本形態のパルス管冷凍機３は、図３に示すように、蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０を別個の部品としている。蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０とは冷凍運転時にそれぞれ放熱して作動ガスを冷却する機能を有している。
【００４６】
真空容器部５０の取付けベース５１には、保持管６０および蓄冷器側熱交換器３１が取付けられている。保持管６０について、取り付けベース５１の円形孔部に保持管６０の一端の外周部を固着し、さらにこの保持管６０の他端の内周部にパルス管側熱交換器７０の外周部を固着して一体化した構成を採用している。保持管６０は円筒状の薄肉管であり、取り付けベース５１とパルス管側熱交換器７０とは、ろう付け、接着、機械的固定により固着される。取付けベース５１・保持管６０は、熱抵抗が大きい（熱伝導率が小さい）材料、例えばステンレスにより形成されている。
【００４７】
この取付けベース５１に真空デュアー５２が連結されて真空容器部５０を形成する。蓄冷器３２、コールドヘッド３３、および、パルス管３４は真空容器部５０の内部に収容されている。パルス管３４は取付けベース５１に形成された円形孔部を通過して外側に突出する。パルス管３４は保持管６０の中に配置される。ここで保持管６０は、真空容器部５０と連通しており、保持管６０内は真空に保たれて真空断熱空間を形成する。このようなパルス管冷凍機３は、真空容器部５０により真空断熱空間が形成されている。そして、コールドヘッド３３に取り付けた冷却対象（図示せず）を冷却する。
【００４８】
このような構成を採用する第３形態のパルス管冷凍機３は、先の第１，第２形態の（１），（２），（３），（４）の利点を有するとともに、さらに、以下のような利点を有する。すなわち、
（５）蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０との間の熱抵抗が第１，第２形態の熱抵抗と比べて大きくなる。つまり蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０との間に取付けベース５１・保持管６０を介在させて熱的にほぼ分離した状態として、蓄冷器側熱交換器３１で放熱する圧縮熱を、パルス管側熱交換器７０へ伝えるという余分な熱の伝導を低減し、パルス管冷凍機３の冷凍効率をさらに高めることが可能となる。
【００４９】
（６）蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０が機械的に完全に分離した構成となるため、蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０が高熱となって熱膨張し、また、コールドヘッド３３は極低温となって熱収縮したとしても、上側と下側との不均一な力に影響されないようになり信頼性を高めることが可能となる。
【００５０】
なお、蓄冷器３２、コールドヘッド３３およびパルス管３４が真空環境下にある場合は、真空容器部の真空デュアー５２を取り去った形態とすることもできる。
例えば、図３において取り付けベース５１より上側の蓄冷器３２、コールドヘッド３３およびパルス管３４がケーシング（図示せず）のような真空環境下に配置されて、コールドヘッド３３に接触する冷却対象（図示せず）を冷却するような場合である。この場合も、保持管６０により、パルス管側熱交換器７０まで真空断熱空間を形成し、パルス管３４に外部から熱が伝わる事態を防止する。
【００５１】
続いて、請求項５，６，８の発明に係るパルス管冷凍機について図を参照しつつ説明する。図４は第４形態のパルス管冷凍機４の構成図である。
本形態のパルス管冷凍機４は、図４に示すように、圧縮機１０、接続管２０、膨張機３０、位相制御部４０、真空容器部５０、保持管６０、パルス管側熱交換器７０、シール部材８０を備えている。
【００５２】
本形態では、図３を用いて説明した第３形態のパルス管冷凍機３の構成に加え、さらに保持管６０とパルス管側熱交換器７０との間にシール部材８０を配置した点が相違している。なお、圧縮機１０、接続管２０、膨張機３０、位相制御部４０、真空容器部５０、保持管６０、パルス管側熱交換器７０については同じ名称・符号を付するとともに構成・作動原理の重複する説明を省略し、相違点についてのみ説明する。
【００５３】
図４に示すように、保持管６０とパルス管側熱交換器７０との間に、シール部材８０を介装している。シール部材８０は、例えば熱伝導率が小さいような樹脂などであり、熱が伝わり難くなって熱抵抗をさらに増大させている。また、保持管６０とパルス管側熱交換器７０とを隙間無く確実に密着して密封性を高め、真空容器部５０内の真空度をより高めている。
【００５４】
このような構成を採用する第４形態のパルス管冷凍機４は、先の第１，第２，第３形態の（１），（２），（３），（４），（６）の利点を有するとともに、さらに、以下のような利点を有する。すなわち、
（７）蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０との間の熱抵抗が第１，第２，第３形態に比べてもさらに大きくなる。つまり蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０との間に取付けベース５１・保持管６０・シール部材８０を介在させて熱的にほぼ分離した状態として、蓄冷器側熱交換器３１で放熱する圧縮熱を、パルス管側熱交換器７０へ伝えるという不要な熱伝導を殆どなくし、パルス管冷凍機４の冷凍効率をさらに高めることが可能となる。また真空度を高めて冷凍性能を向上させている。
【００５５】
なお、蓄冷器３２、コールドヘッド３３およびパルス管３４が真空環境下にある場合は、真空容器部の真空デュアー５２を取り去った形態とすることもできる。
例えば、図４において取り付けベース５１より上側の蓄冷器３２、コールドヘッド３３およびパルス管３４がケーシング（図示せず）のような真空環境下に配置されて、コールドヘッド３３に接触する冷却対象（図示せず）を冷却するような場合である。この場合も、保持管６０により、パルス管側熱交換器７０まで真空断熱空間を形成し、パルス管３４に外部から熱が伝わる事態を防止する。
【００５６】
なお、第１形態のパルス管冷凍機１（図１参照），第２形態のパルス管冷凍機２（図２参照），第３形態のパルス管冷凍機３（図３参照）において、保持管６０とパルス管側熱交換器７０との間にシール部材（図示せず）を追加する構成とし、熱抵抗を大きくする構成を採用しても良い。
【００５７】
続いて、請求項１，７，８の発明に係るパルス管冷凍機について図を参照しつつ説明する。図５は第５形態のパルス管冷凍機５の構成図である。
本形態のパルス管冷凍機５は、図５に示すように、圧縮機１０、接続管２０、膨張機３０、位相制御部４０、フレキシブル保持管６０’、パルス管側熱交換器７０を備える。
【００５８】
本形態では図１を用いて説明したパルス管冷凍機１の保持管６０に代えて、新たにフレキシブル保持管６０’を備えるようにした点が相違する。なお、圧縮機１０、接続管２０、膨張機３０、位相制御部４０、パルス管側熱交換器７０については同じ名称・符号を付するとともに構成・作動原理の重複する説明を省略し、相違点についてのみ説明する。
【００５９】
図５に示すように、蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０とを別個の部品とし、蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０とをフレキシブル保持管６０’で連結した構成である。
蓄冷器側熱交換器３１には、フレキシブル保持管６０’が取付けられている。フレキシブル保持管６０’について、蓄冷器側熱交換器３１の円形孔部にフレキシブル保持管６０’の一端の外周部を固着し、さらにこのフレキシブル保持管６０’の他端の内周部にパルス管側熱交換器７０の外周部を固着して一体化した構成を採用している。蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０とは、ろう付け、接着、機械的固定により固着される。
【００６０】
第１形態の保持管６０は円筒であったが、ここでフレキシブル保持管６０’は、高さに応じて管径を増減させて断面波状となるようにし、筒の側面に凹凸が形成されたものを採用している。本形態のフレキシブル保持管６０’のより好ましい構造としては、図５で示すようなサイン波状・のこぎり波状という蛇腹構造を採用している。このような蛇腹構造（凹凸構造）により、蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０との間の距離は第１形態と変わらないが、熱が伝わる伝導路は大幅に伸びて熱伝導を遅らせることができ、熱抵抗を大きくすることができる。また、蛇腹構造（凹凸構造）により円筒と比較して弾性構造体となって熱応力による歪みが生じてもフレキシブル保持管６０’で歪みを吸収できる。さらに、本形態のフレキシブル保持管６０’は熱抵抗が大きい（熱伝導率が小さい）材料、例えば、ステンレスにより形成されている。
【００６１】
このような構成を採用する第５形態のパルス管冷凍機５は、以下のような利点を有する。すなわち、
（ａ）蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０との間に介在するフレキシブル保持管６０’をパルス管３４の長さに対応させて適当な長さに形成することができ、これにより、蓄冷器３２およびパルス管３４の長さに影響されることなく、性能を優先した自由な設計を可能とする。
【００６２】
（ｂ）蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０との間にフレキシブル保持管６０’を介在させることで、運転時に蓄冷器３２とパルス管３４とに熱応力の不均一により生じる曲げ力が加わったとしてもフレキシブル保持管６０’で歪みをある程度は吸収して、変形に起因する機械的信頼性を向上させることができる。
【００６３】
（ｃ）蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０との間に介在するフレキシブル保持管６０’により、蓄冷器側熱交換器３１の熱がパルス管側熱交換器７０に直接伝えられないようにして熱抵抗を従来技術（例えば図９で示したパルス管冷凍機１００）に比べて大きくし、熱伝導速度を遅くすることで蓄冷器側熱交換器３１の圧縮熱を、パルス管側熱交換器７０へ伝えるような不要な熱伝導を抑止し、パルス管冷凍機５の冷凍効率を高めることが可能となる。
【００６４】
（ｄ）（ｃ）の効果に加え、さらに、熱伝導率が著しく小さい材料、例えばステンレスなどの金属部材によりフレキシブル保持管６０’を形成するため、蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０とを熱的にほぼ分離した状態とし、この点でも、蓄冷器側熱交換器３１の圧縮熱がパルス管側熱交換器７０に伝わる熱伝導速度をさらに遅くすることを可能とする。
【００６５】
（ｅ）フレキシブル保持管６０’の熱抵抗について、上記数１中のＬを長くすることが可能となり、熱抵抗Ｒｔｈをさらに増大させることができる。
【００６６】
このように本形態のパルス管冷凍機５は、簡易な構造であるにもかかわらず、熱抵抗を大きくして蓄冷器側熱交換器３１からパルス管側熱交換器７０へ熱を著しく伝え難くすることができ、コスト上昇を抑えつつ熱伝導を抑制することが可能となる。
【００６７】
続いて、請求項２，４，７，８の発明に係るパルス管冷凍機について図を参照しつつ説明する。図６は第６形態のパルス管冷凍機６の構成図である。
本形態のパルス管冷凍機６は、図６に示すように、圧縮機１０、接続管２０、膨張機３０、位相制御部４０、真空容器部５０、フレキシブル保持管６０’、パルス管側熱交換器７０を備えている。
【００６８】
本形態では図２を用いて説明したパルス管冷凍機２の保持管６０に代えて、新たにフレキシブル保持管６０’を備えるようにした点が相違する。なお、圧縮機１０、接続管２０、膨張機３０、位相制御部４０、真空容器部５０、パルス管側熱交換器７０については同じ名称・符号を付するとともに構成・作動原理の重複する説明を省略し、相違点についてのみ説明する。
【００６９】
図６に示すように、蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０とを別個の部品とし、蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０とをフレキシブル保持管６０’で連結した例である。
蓄冷器側熱交換器３１には、フレキシブル保持管６０’が取付けられている。フレキシブル保持管６０’について、蓄冷器側熱交換器３１の円形孔部にフレキシブル保持管６０’の一端の外周部を固着し、さらにこのフレキシブル保持管６０’の他端の内周部にパルス管側熱交換器７０の外周部を固着して一体化した構成を採用している。蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０とは、ろう付け、接着、機械的固定により固着される。
【００７０】
フレキシブル保持管６０’は、筒の側面に凹凸が形成されたものを採用している。詳しくは、図６で示すような蛇腹構造を採用している。このような蛇腹構造（凹凸構造）により熱の伝導路が伸びて熱伝導を遅らせることができ、熱抵抗を大きくすることができる。また、蛇腹構造（凹凸構造）により弾性構造体となって熱応力による歪みが生じてもフレキシブル保持管６０’で歪みを吸収できる。さらに本形態のフレキシブル保持管６０’は熱抵抗が大きい（熱伝導率が小さい）材料、例えば、ステンレスにより形成されている。
このような構成を採用する第６形態のパルス管冷凍機６は、先の第５形態の（ａ）〜（ｅ）の利点と同様の利点を有する。
【００７１】
なお、蓄冷器３２、コールドヘッド３３およびパルス管３４が真空環境下にある場合は、真空容器部５０の真空デュアー５２を取り去った形態とすることもできる。
例えば、図６において取り付けベース５１より上側の蓄冷器３２、コールドヘッド３３およびパルス管３４がケーシング（図示せず）のような真空環境下に配置されて、コールドヘッド３３に接触する冷却対象（図示せず）を冷却するような場合である。この場合も、フレキシブル保持管６０’により、パルス管側熱交換器７０まで真空断熱空間を形成し、パルス管３４に外部から熱が伝わる事態を防止する。
【００７２】
続いて、請求項３，４，７，８の発明に係るパルス管冷凍機について図を参照しつつ説明する。図７は第７形態のパルス管冷凍機７の構成図である。
本形態のパルス管冷凍機７は、図７に示すように、圧縮機１０、接続管２０、膨張機３０、位相制御部４０、真空容器部５０、フレキシブル保持管６０’、パルス管側熱交換器７０を備えている。
【００７３】
本形態では図３を用いて説明したパルス管冷凍機３の保持管６０に代えて、新たにフレキシブル保持管６０’を備えるようにした点が相違する。なお、圧縮機１０、接続管２０、膨張機３０、位相制御部４０、真空容器部５０、パルス管側熱交換器７０については同じ名称・符号を付するとともに構成・作動原理の重複する説明を省略し、相違点についてのみ説明する。
【００７４】
図７に示すように、蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０とを別個の部品とし、取り付けベース５１とパルス管側熱交換器７０とをフレキシブル保持管６０’で連結した例である。
取り付けベース５１には、フレキシブル保持管６０’および蓄冷器側熱交換器３１が取付けられている。フレキシブル保持管６０’について、取り付けベース５１の円形孔部にフレキシブル保持管６０’の一端の外周部を固着し、さらにこのフレキシブル保持管６０’の他端の内周部にパルス管側熱交換器７０の外周部を固着して一体化した構成を採用している。取り付けベース５１とパルス管側熱交換器７０とは、ろう付け、接着、螺子等の機械的固定により取り付けられる。
【００７５】
フレキシブル保持管６０’は、筒の側面に凹凸が形成されたものを採用している。詳しくは、図７で示すような蛇腹構造を採用している。このような蛇腹構造（凹凸構造）により熱の伝導路の距離が伸びて熱伝導を遅らせることができ、熱抵抗を大きくすることができる。また、蛇腹構造（凹凸構造）により弾性構造体となって熱応力による歪みが生じてもフレキシブル保持管６０’で歪みを吸収できる。
さらに、本形態のフレキシブル保持管６０’は熱抵抗が大きい（熱伝導率が小さい）材料、例えば、ステンレスにより形成されている。
【００７６】
このような構成を採用する第７形態のパルス管冷凍機７は、先の第５，第６形態の（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）の利点を有するとともに、さらに以下のような利点を有する。すなわち、
（ｆ）蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０との間の熱抵抗が第５，第６形態の熱抵抗と比べて大きくなる。つまり蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０との間に取付けベース５１・フレキシブル保持管６０’を介在させて熱的にほぼ分離した状態として、蓄冷器側熱交換器３１で放熱する圧縮熱を、パルス管側熱交換器７０へ伝えるという余分な熱の伝導を低減し、パルス管冷凍機７の冷凍効率をさらに高めることが可能となる。
【００７７】
（ｇ）蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０が機械的に完全に分離した構成となるため、蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０が高熱となって熱膨張し、また、コールドヘッド３３は極低温となって熱収縮したとしても、上側と下側との不均一な力に影響されないようになり信頼性を高めることが可能となる。
【００７８】
なお、蓄冷器３２、コールドヘッド３３およびパルス管３４が真空環境下にある場合は、真空容器部の真空デュアー５２を取り去った形態とすることもできる。
例えば、図７において取り付けベース５１より上側の蓄冷器３２、コールドヘッド３３およびパルス管３４がケーシング（図示せず）のような真空環境下に配置されて、コールドヘッド３３に接触する冷却対象（図示せず）を冷却するような場合である。この場合も、フレキシブル保持管６０’により、パルス管側熱交換器７０まで真空断熱空間を形成し、パルス管３４に外部から熱が伝わる事態を防止する。
【００７９】
続いて、請求項６，７，８の発明に係るパルス管冷凍機について図を参照しつつ説明する。図８は第８形態のパルス管冷凍機８の構成図である。
本形態のパルス管冷凍機８は、図８に示すように、圧縮機１０、接続管２０、膨張機３０、位相制御部４０、真空容器部５０、フレキシブル保持管６０’、パルス管側熱交換器７０、シール部材８０を備えている。
【００８０】
本形態では、図７を用いて説明した第７形態のパルス管冷凍機７の構成に加え、さらにフレキシブル保持管６０’とパルス管側熱交換器７０との間にシール部材８０を配置した点が相違している。なお、圧縮機１０、接続管２０、膨張機３０、位相制御部４０、真空容器部５０、フレキシブル保持管６０’、パルス管側熱交換器７０については同じ名称・符号を付するとともに構成・作動原理の重複する説明を省略し、相違点についてのみ説明する。
【００８１】
図８に示すように、フレキシブル保持管６０’とパルス管側熱交換器７０との間に、シール部材８０を介装している。シール部材８０は、例えば熱伝導率が小さいような樹脂などであり、熱が伝わり難くなって熱抵抗がさらに増大する。また、フレキシブル保持管６０’とパルス管側熱交換器７０とを隙間無く確実に密着して密封性を高め、真空容器部５０内の真空度をより高めている。
【００８２】
このような構成を採用する第８形態のパルス管冷凍機８は、先の第５，第６，第７形態の（ａ），（ｂ） ，（ｃ），（ｄ），（ｅ），（ｇ）の利点を有するとともに、さらに、以下のような利点を有する。すなわち、
（ｈ）蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０との間の熱抵抗が第５，第６，第７形態に比べてもさらに大きくなる。つまり蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０との間に取付けベース５１・フレキシブル保持管６０’・シール部材８０を介在させて熱的にほぼ分離した状態として、蓄冷器側熱交換器３１で放熱する圧縮熱を、パルス管側熱交換器７０へ伝えるという余分な熱の伝導を殆どなくし、パルス管冷凍機８の冷凍効率をさらに高めることが可能となる。
なお、この第８形態は、第１〜第７形態と比較しても最も熱抵抗を大きくできるものである。
【００８３】
なお、蓄冷器３２、コールドヘッド３３およびパルス管３４が真空環境下にある場合は、真空容器部の真空デュアー５２を取り去った形態とすることもできる。
例えば、図８において取り付けベース５１より上側の蓄冷器３２、コールドヘッド３３およびパルス管３４がケーシング（図示せず）のような真空環境下に配置されて、コールドヘッド３３に接触する冷却対象（図示せず）を冷却するような場合である。この場合も、フレキシブル保持管６０’により、パルス管側熱交換器７０まで真空断熱空間を形成し、パルス管３４に外部からの熱が伝わる事態を防止する。
【００８４】
なお、第５形態のパルス管冷凍機５（図５参照），第６形態のパルス管冷凍機６（図６参照），第７形態のパルス管冷凍機７（図７参照）のフレキシブル保持管６０’とパルス管側熱交換器７０との間にシール部材（図示せず）を追加して熱抵抗を大きくする構成を採用しても良い。
【実施例１】
【００８５】
続いて、これらパルス管冷凍機の実施例について説明する。先に説明した第２形態（図２参照）をより具体化した実施例について説明する。
例えば、保持管６０としてステンレス（ＳＵＳ３０４）製の薄肉管（内径φ１５、肉厚０．５）３０ｍｍを採用した。この場合、上記の数１にこれら数値を代入すると、保持管６０の熱抵抗Ｒｔｈ＝７７［Ｋ／Ｗ］となる。
【００８６】
一方、図９の従来技術のように銅材で構成されている熱交換器３１ではＲｔｈは１以下である。大きく見積もって１としても、保持管６０を介在させることにより７０倍以上の熱抵抗となることがわかる。すなわち、熱流入が１／７０になる。以上の計算からも明らかなように、蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０とは熱的には分離された状態になり、両熱交換器間で余分な熱のやりとりを低減できる。また、他の形態でも同様もしくはそれ以上の効果が見込める。
【００８７】
以上、本発明に係る第１〜第８形態について説明した。いずれも蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０との間の熱抵抗を大幅に増大させて、冷凍能力を大幅に向上させることが可能となった。
本発明によれば、蓄冷器側熱交換器３１とパルス管側熱交換器７０の間を保持管６０（またはフレキシブル保持管６０’）を用いて分離して、両者間を出入りする熱を遮断する。このとき、パルス管側熱交換器７０と保持管（またはフレキシブル保持管６０’）との間にシール部材８０を使用することによって熱遮断効果は増大する。また、フレキシブル保持管６０’などの柔構造体の管を使用することによって蓄冷器３２およびパルス管３４に熱応力がかからないようにする。
上記により、熱交換器における熱ロスを低減し、熱応力を緩和しつつ蓄冷器とパルス管の長さを自由に設計できる高性能、高信頼性のＵ字リターン型パルス管冷凍機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】第１形態のパルス管冷凍機の構成図である。
【図２】第２形態のパルス管冷凍機の構成図である。
【図３】第３形態のパルス管冷凍機の構成図である。
【図４】第４形態のパルス管冷凍機の構成図である。
【図５】第５形態のパルス管冷凍機の構成図である。
【図６】第６形態のパルス管冷凍機の構成図である。
【図７】第７形態のパルス管冷凍機の構成図である。
【図８】第８形態のパルス管冷凍機の構成図である。
【図９】従来技術のパルス管冷凍機の概略構成図である。
【符号の説明】
【００８９】
１，２，３，４，５，６，７，８：パルス管冷凍機
１０：圧縮機
１１：ピストン
１２：シリンダ
２０：接続管
３０：膨張機
３１：蓄冷器側熱交換器
３１ａ：熱交換部材
３２：蓄冷器
３３：冷却端
３４：パルス管
４０：位相制御部
４１：イナータンスチューブ
４２：バッファタンク
５０：真空容器部
５１：取付けベース
５２：真空デュアー
６０：保持管
６０’：フレキシブル保持管
７０：パルス管側熱交換器
８０：シール部材
【図１】
2005055047.tif 000004
【図２】
2005055047.tif 000005
【図３】
2005055047.tif 000006
【図４】
2005055047.tif 000007
【図５】
2005055047.tif 000008
【図６】
2005055047.tif 000009
【図７】
2005055047.tif 000010
【図８】
2005055047.tif 000011
【図９】
2005055047.tif 000012